Stickstoff- & Kohlenstoffkreislauf: Grundlagen der Biogeochemie

Der biogeochemische Kreislauf des Stickstoffs

Stickstoff (N2) macht etwa 78 % der Troposphäre aus. Allerdings kann Stickstoff in dieser Form nicht direkt als Nährstoff von Pflanzen und Tieren genutzt werden. Er muss zunächst durch einen spezialisierten biologischen Prozess, die Stickstoff-Fixierung, in verwertbare Formen umgewandelt werden.

Stickstofffixierung und Umwandlung

Verschiedene spezialisierte Bakterien sind für die Umwandlung von atmosphärischem N2 verantwortlich:

• Fixierung: Einige Bakterien reduzieren atmosphärischen N2 zu Ammoniak (NH3).
• Nitrosierung: Eine spezialisierte Gruppe von Bakterien der Gattung Nitrosomonas oxidiert das entstandene Ammoniak (NH3) zu Nitrit-Ionen (NO2-).
• Nitrifikation: Bakterien der Gattung Nitrobacter oxidieren Nitrit zu Nitrat-Ionen (NO3-). Nitrat ist die Hauptstickstoffquelle für höhere Pflanzen.
• Denitrifizierung: Denitrifizierende Bakterien bewirken das Gegenteil, indem sie Stickstoffverbindungen wieder zu N2 reduzieren und diesen in die Atmosphäre freisetzen.

Die Rolle des Lichts bei der N2-Fixierung

Licht spielt ebenfalls eine Rolle bei der N2-Fixierung, da es mit Luftsauerstoff reagiert und Stickstoffdioxid (NO2) bildet. Diese Gase reagieren mit Wasserdampf in der Atmosphäre und bilden Nitrat-Ionen, die als gelöste Salpetersäure mit dem Niederschlag auf die Erde gelangen.

Der biogeochemische Kreislauf des Kohlenstoffs

Kohlenstoff ist der Hauptbestandteil organischer Substanzen. Er kann nur dann in diese Materie eingebaut werden, wenn CO2-fixierende Organismen (wie Pflanzen) das in der Atmosphäre oder im Wasser gelöste CO2 absorbieren und mithilfe von Lichtenergie durch Photosynthese in organische Verbindungen (z. B. Glukose) umwandeln.

Photosynthese und Atmung im Gleichgewicht

Diese organischen Verbindungen werden anschließend von Organismen, die aerobe Atmung betreiben, abgebaut. Dabei wird CO2 zurück in die Atmosphäre oder ins Wasser freigesetzt. Photosynthese und Zellatmung dienen somit als antagonistische Prozesse, die sich gegenseitig ergänzen und das Gleichgewicht des Kohlenstoffkreislaufs aufrechterhalten.

Langfristige Kohlenstoffspeicher

Ein Teil des Kohlenstoffs wird über lange Zeiträume in der Erdkruste in Form von fossilen Brennstoffen gespeichert. Dieser Kohlenstoff wird als CO2 in die Atmosphäre freigesetzt, wenn die Brennstoffe verbrannt werden. Auch Vulkanausbrüche setzen einen Teil dieses gespeicherten Kohlenstoffs frei.

Darüber hinaus nutzen einige Meeresorganismen gelöstes CO2 im Wasser, um ihre Schalen und Skelette zu bilden. Wenn diese Organismen sterben, sinken sie auf den Meeresboden. Der Kohlenstoff kehrt nur sehr langsam in den Kreislauf zurück, wenn die Sedimente gelöst werden oder biologischen Phänomenen ausgesetzt sind.